CN111859505A - 一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法及装置,涉及燃烧室设计的技术领域,前述方法包括:获取建模数据,构建燃烧室几何模型;并对燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,基于燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定燃烧室的流量分配数据是否符合要求;若否,则执行基于燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;并构建燃烧室数学模型,获取排孔流量的待拟合数据矩阵并进行拟合,获取目标流量分配的打孔数量。通过本发明提供可以缓解现有技术中射孔流量规律方法计算时间长,仿真成本高的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧室设计的技术领域,尤其是涉及一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法及装置。
背景技术
按照设计是否需要流动经验参数可大致将当前的燃烧室流量分配设计方法分为两类。
需要流动经验参数方法:利用流体力学公式对燃烧室进行分析计算,一维网络方法。
不需要流动经验参数的方法:参数化CFD方法。
分析计算方法是传统燃烧室设计的常用方法,可以快速地得出目标流量分配所对应的设计方案,但不能保证精确性,通常用于获取初始方案,一般还需结合其他方法进行进一步完善设计。
一维网络方法将燃烧室分割为若干个独立的元件,元件模型中输入几何结构参数,各元件互相关联形成一个网络,整个网络通过压力关系式求解。相比较分析计算的方法,一维网络方法的设计精度得到了很大的提高。
采用分析计算方法与一维网络方法均需要预先通过大量实验与仿真获取描述射流孔流动规律的经验公式或数据。在没有经验积累的前提下,若采用这两种方法进行燃烧室设计,需要在射流孔流动规律的获取上消耗大量的实验与仿真成本。
参数化CFD方法通过数值迭代的方法,对燃烧室模型进行不断地优化开孔设计以使其满足目标流量分配,利用该方法进行燃烧室设计并不需要预先获取射流孔流动规律的经验公式或数据。但该方法需要对建模与仿真商业软件进行二次开发实现相对复杂,且受初始算例影响,若初始算例的流量分配与目标差距较大,则可能会导致较多的迭代次数与较长的计算时间。
综上所述,现有技术中,射孔流量规律方法计算时间长,仿真成本高。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法及装置,以缓解了现有技术中技术射孔流量规律方法计算时间长,仿真成本高的技术问题。
第一方面,本发明实施例提供了一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法,包括:
S1:获取建模数据,构建燃烧室几何模型;
S2:获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对所述燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,所述燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;
S3:基于所述燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定所述燃烧室的流量分配数据是否符合要求;
若否,则执行S4的步骤;
若是,则燃烧室的排孔设计合格;
S4:基于所述燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;
S5:基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;
S6:基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;
S7:对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。
优选的,所述建模数据包括燃烧室入口宽度,环道高度,头部宽度,上下环道长度,蒸发管内外径,蒸发管长度,火焰筒尺寸以及燃烧室出口高度。
优选的,所述燃烧室中局部损失区域的状态参数包括燃烧室入口截面的总压Pt1与上环道入口截面的总压Pt2、密度ρ2、速度v2、下环道截面的总压Pt4、密度ρ4、速度v4、下环岛出口截面的总压Pt5与蒸发管入口后截面的总压Pt7、密度ρ7、速度v7、-火焰筒内部截面的总压Pt10与-燃烧室出口截面的总压Pt11、密度ρ11、速度v11。
优选的,利用如下公式计算燃烧室入口至上环道入口的局部损失系数:
利用如下公式获取燃烧室入口至下环道入口的局部损失系数:
利用如下公式获取蒸发管前折转处的局部损失系数:
利用如下公式获取火焰筒内的局部损失系数:
优选的,所述S5:基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型的步骤中,包括
建立火焰筒数学模型、建立蒸发管数学模型、建立管前折转与头部数学模型以及建立环道数学模型。
本发明提供了一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计装置,包括:
数据获取模块:用于获取建模数据,构建燃烧室几何模型;
计算模块:用于获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对所述燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,所述燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;
判定模块:用于基于所述燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定所述燃烧室的流量分配数据是否符合要求;
若否,则执行S4的步骤;
若是,则燃烧室的排孔设计合格;
损失系数获取模块:基于所述燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;
燃烧室模型损失系数获取模块:用于基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;
待拟合矩阵获取模块:用于基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;
打孔数量计算模块:用于对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。
本发明实施例带来了以下有益效果:本发明实施例提供了一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法及装置,前述方法包括:S1:获取建模数据,构建燃烧室几何模型;S2:获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;S3:基于燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定燃烧室的流量分配数据是否符合要求;若否,则执行S4的步骤;S4:基于燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;S5:基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;S6:基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;S7:对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。通过本发明提供的方法及装置可以缓解现有技术中射孔流量规律方法计算时间长,仿真成本高的技术问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合所附附图,作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法流程图;
图2为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室位置示意图;
图3为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室火焰筒示意图;
图4为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室蒸发管示意图;
图5(a)为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室头部与管前折转示意图;
图5(b)为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室头部与管前折转示意图;
图6为本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室环道示意图。
图标:1-燃烧室入口;2-上环道入口;3-头部;4-下环道入口;5-下环道出口;6-蒸发管入口前;7-蒸发管入口后;8-蒸发管出口前;9-蒸发管出口后;10-火焰筒内部;11-燃烧室出口;sz1,sz2,sz3,sz4-上主燃区孔sc1,sc2-上掺混区孔;xz1,xz2,xz3-下主燃区孔;xc1,xc2-下掺混区孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
目前,蒸发管室流量测量有两种方法,1)需要流动经验参数方法:利用流体力学公式对燃烧室进行分析计算,一维网络方法;2)不需要流动经验参数的方法:参数化CFD方法。基于此,本发明实施例提供的一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法,可以缓解现有技术中射孔流量规律方法计算时间长,仿真成本高的技术问题。为便于对本实施例进行理解,首先对本发明实施例所公开的一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法进行详细介绍。
实施例一:
本发明实施例一提供了一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法,包括:
S1:获取建模数据,构建燃烧室几何模型;
进一步的,所述建模数据包括燃烧室入口宽度,环道高度,头部宽度,上下环道长度,蒸发管内外径,蒸发管长度,火焰筒尺寸以及燃烧室出口高度;
S2:获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对所述燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,所述燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;
S3:基于所述燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定所述燃烧室的流量分配数据是否符合要求;
若否,则执行S4的步骤;
若是,则燃烧室的排孔设计合格;
S4:基于所述燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;
进一步的,所述燃烧室中局部损失区域的状态参数包括燃烧室入口截面的总压Pt1与上环道入口截面的总压Pt2、密度ρ2、速度v2、下环道截面的总压Pt4、密度ρ4、速度v4、下环岛出口截面的总压Pt5与蒸发管入口后截面的总压Pt7、密度ρ7、速度v7、-火焰筒内部截面的总压Pt10与-燃烧室出口截面的总压Pt11、密度ρ11、速度v11。
S5:基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;
利用如下公式计算燃烧室入口至上环道入口的局部损失系数:
利用如下公式获取燃烧室入口至下环道入口的局部损失系数:
利用如下公式获取蒸发管前折转处的局部损失系数:
利用如下公式获取火焰筒内的局部损失系数:
具体的,采用编程的方式建立可重复调用的燃烧室各排孔流量与各位置压力之间的数学模型,模型中的参数值均为绝对参数而非相对参数。
燃烧室模型几何参数(即步骤1中建模时采用的参数):
蒸发管直径dzfg蒸发管长度lzfg
燃烧室入口截面积A1上环道进气截面积As下环道进气截面积Ax燃烧室出口截面积A11各排孔的孔径di与孔数ni(其中i=sz1,sz2...)
仿真前处理自定义参数(即步骤2中设置的参数):
燃烧室出口压力P11燃烧室温度T
仿真后处理获取的参数(即步骤3中获取的参数):
各排孔流量qmi(其中i=sz1,sz2...)蒸发管流量qmzfg
局部损失系数(即步骤5中获取的参数)
燃烧室入口至上环道入口的局部损失系数ξ1-2,
燃烧室入口至下环道入口的局部损失系数ξ1-4,
蒸发管前折转处的局部损失系数ξ5-7;
火焰筒内的局部损失系数ξ10-11;
通过查表获取的常量:
气体常数R空气动力粘度μ蒸发管绝对粗糙度e
进一步的需要构建建立火焰筒数学模型
其中qm11为燃烧室出口截面的空气流量,即燃烧室总流量,将各排孔流量qmi相加即可算出。
位置10的流态较为复杂,但速度较低,因此将该处静压总压视为相同,即近似令火焰筒内部静压P10=Pt10
又因为火焰筒内部静压恒定,令蒸发管出口后静压P9=P10;
具体的,需建立1)蒸发管数学模型
蒸发管出口前后状态参数变化不大,令蒸发管出口前静压P8=P9
当Re<Retra时,蒸发管内流态为层流
当Re>Retra时,蒸发管内流态为湍流
其中qm7=qmzfg;
建立2)管前折转与头部数学模型
环道总压近似恒定,因此下环道总压Ptx=Pt4=Pt5
其中qm4为下环道各排孔及蒸发管质量流量之和,A4=Ax
上环道入口总压Pt2可通过求解如下隐式方程获得
其中qm2为上环道各排孔质量流量之和,A2=As
推荐将Pt1与2倍的Pt1作为Pt2取值的两个端点,用二分法进行求解该方程。
环道总压近似恒定,因此上环道总压Pts=Pt2
3)建立环道数学模型
若孔i位于上环道,则孔前流量qm_i等于该排孔所在流路中该排孔及以后各排孔质量流量之和;孔前截面积为上环道截面积,即A_i=As;孔前总压Pt_i=Pts。
若孔i位于下环道,则孔前流量qm_i等于该排孔所在流路中该排孔及以后各排孔与蒸发管质量流量之和;孔前截面积为下环道截面积,即A_i=Ax;孔前总压Pt_i=Ptx。
火焰筒静压恒定,孔后射流出口压力Pj=P10。
自定义两个待拟合参数
S6:基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;
进一步的,燃烧室总流量值的设定对流量分配比例没有明显影响,因此改变燃烧室入口空气流量改变时,总流量的缩放比例与各排孔及蒸发管流量的缩放比例一致,可利用该性质在仅有一个仿真结果的情况下,获取多组数据,在本发明提供的实施例中,改变入口空气流量以获取多组数据;
具体方法是将通过仿真获取的各排孔及蒸发管绝对流量换算为相对流量后,建立一个首项为0.01,末项为1,项数为40的等比数列作为缩放数组。用该数组里每个数作为缩放因子依次对相对流量值进行缩放计算与组合,以此来替代燃烧室入口流量边界条件从0.01kg逐渐递增至1kg的仿真。最终得到两个行数为40列数为射流孔排数的拟合数据矩阵,例如对于图2所示燃烧室模型,得到如下两组40×11的矩阵。
上述方阵即为待拟合矩阵;
S7:对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。
进一步的,对矩阵x与矩阵y中第i列元素进行线性拟合,即可得到第i排孔所对应的流动表达式y=Ax+B,其中A与B为通过线性拟合获得的拟合系数。在后续步骤中,即可将流动表达式作为燃烧室流量分配设计的依据。
将燃烧室各排孔目标流量代入前述建立好的燃烧室数学模型中,解出燃烧室各处压力,再将流动表达式中除孔数以外的相关变量代入到第i排孔所对应的流动表达式y=Ax+B中,即可得出在仿真模型几何条件所对应流动规律下,为获得目标流量分配所需的打孔数。
对于孔径计算孔数非整数的问题,采用当量化进行处理。即对计算孔数进行就近舍入,并微调孔径,使得经过该处理后的孔面积与通过流动表达式计算出的孔面积相同。
实施例二
本发明实施例二提供了一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计装置,包括:
数据获取模块:用于获取建模数据,构建燃烧室几何模型;
计算模块:用于获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对所述燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,所述燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;
判定模块:用于基于所述燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定所述燃烧室的流量分配数据是否符合要求;
若否,则执行S4的步骤;
若是,则燃烧室的排孔设计合格;
损失系数获取模块:基于所述燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;
燃烧室模型损失系数获取模块:用于基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;
待拟合矩阵获取模块:用于基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;
打孔数量计算模块:用于对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统和装置的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
另外,在本发明实施例的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是:以上所述实施例,仅为本发明的具体实施方式,用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,本发明的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计方法,其特征在于,包括:
S1:获取建模数据,构建燃烧室几何模型;
S2:获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对所述燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,所述燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;
S3:基于所述燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定所述燃烧室的流量分配数据是否符合要求;
若否,则执行S4的步骤;
若是,则燃烧室的排孔设计合格;
S4:基于所述燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;
S5:基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;
S6:基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;
S7:对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述建模数据包括燃烧室入口宽度,环道高度,头部宽度,上下环道长度,蒸发管内外径,蒸发管长度,火焰筒尺寸以及燃烧室出口高度。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述燃烧室中局部损失区域的状态参数包括燃烧室入口截面的总压Pt1与上环道入口截面的总压Pt2、密度ρ2、速度v2、下环道截面的总压Pt4、密度ρ4、速度v4、下环岛出口截面的总压Pt5与蒸发管入口后截面的总压Pt7、密度ρ7、速度v7、-火焰筒内部截面的总压Pt10与-燃烧室出口截面的总压Pt11、密度ρ11、速度v11。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S5:基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型的步骤中,包括
建立火焰筒数学模型、建立蒸发管数学模型、建立管前折转与头部数学模型以及建立环道数学模型。
6.一种微型蒸发管式燃烧室流量分配设计装置,其特征在于,包括:
数据获取模块:用于获取建模数据,构建燃烧室几何模型;
计算模块:用于获取燃烧室出口压力边界条件,以及燃烧室温度值,并对所述燃烧室几何模型进行CFD方法进行计算以获取燃烧室的流量分配数据,所述燃烧室的流量分配数据包括每个排孔流量以及蒸发管流量;
判定模块:用于基于所述燃烧室的流量分配数据,并获取目标流量分配数据以判定所述燃烧室的流量分配数据是否符合要求;
若否,则执行S4的步骤;
若是,则燃烧室的排孔设计合格;
损失系数获取模块:基于所述燃烧室的流量分配数据,获取燃烧室中局部损失区域的状态参数,并基于燃烧室中局部损失区域的状态参数获取局部损失区域的损失系数;
燃烧室模型损失系数获取模块:用于基于建模数据、燃烧室出口压力、燃烧室温度值、燃烧室的流量分配数据以及局部损失区域的损失系数,构建燃烧室数学模型;
待拟合矩阵获取模块:用于基于燃烧室数学模型,以获取排孔流量的待拟合数据矩阵;
打孔数量计算模块:用于对排孔流量的待拟合数据矩阵进行拟合,并获取每个排孔流量的目标流量,以获取目标流量分配的打孔数量。
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